从模拟耳机插孔升级为数字音频接口的应用设计

nxiang

模拟耳机插孔是智能手机和PC市场中最广泛采用的接口之一，每天被数以亿计的消费者所使用。除了智能手机和PC，模拟耳机插孔也是大多数音频播放产品的标准配置。然而，最近推出的一些智能手机，如iPhone 7，HTC U Ultra和Moto Z，以及其它消费性电子产品正在减少使用这种原始的模拟插孔，转而使用支持音频的现代化数字接口。这种趋势预计将会持续下去，同时为了便于平稳过渡，市场需要具有数字音频功能的新适配器和配件。让我们来看看数字音频技术的一些优点，以及在下一代配件设计中实现数字音频连接的推荐解决方案。

数字音频接口的优势
顾名思义，3.5 mm模拟耳机插孔是将模拟音频信号传输到耳机或其它音频配件。数模转换(DAC)和放大器电路必须集成到主机设备(如智能手机)中。耳机本身可以是无源的，因此成本非常低。
相比之下，包括通用串行总线(USB)和Apple Lightning在内的一些较新的接口标准能够传输数字音频数据。在这种情况下，耳机或其它音频配件必须实现DAC和放大器电路的功能。该电路需要电源，可以通过外部供电，或者更常见的是通过USB或Lightning接口本身供电。
模拟和数字音频接口各有其独特的优势，促使智能手机和消费性电子产品制造商在较新设备上采用数字接口的一些重要原因如下：
克服空间限制。在大多数智能手机中，模拟耳机插孔和相关音频电路占据了大量的空间(面积和体积)。使用数字音频，PCB所占空间会减小，或许更严格地说，整体产品的厚度可能都会减小。释放的空间可用于增加电池尺寸，集成新功能或减小产品外形尺寸。
提高设计灵活性并改善性能。目前，消费者可能会选择从随机附送的耳机升级到高端耳机，但是通常音频性能会受到主机设备内置的DAC、放大器和其它电路的限制。使用USB或Lightning数字音频，使耳机制造商能够根据最终产品的层级和定价来改善整个音频信号处理链(DAC，放大器等)的性能。这种方法能使制造商灵活地避免在产品性价比中进行折中设计。
启用高级功能。虽然具有3.5 mm模拟耳机插头的耳机产品已经引入了一些增值功能，如自适应噪声消除(ANC)，但是这需要为耳机本身添加一个电池，从而导致设计难度增大。而且，模拟耳机插孔的有限的返回信号路径功能阻碍了耳机和主机设备之间的高级交互。数字音频接口消除了电源和通信障碍。使用USB或Lightning 接口的耳机和其它配件可以从主机设备上获得电源，而无需另外的电池。此外，数字接口提供强大的高带宽双向通信，可以开发在主机设备上运行的配套应用程序，从而获得更高级的功能和控制。

模拟耳机插孔的其它选择
虽然到目前为止，我们专注于数字音频，但消除模拟耳机插孔并不意味着一定需要数字技术。USB标准提供了通过USB Type C连接器传送模拟音频的机制。当设计人员对消除模拟耳机插孔进行评估时，这可以为他们提供另一种可考虑的选择。图1显示了用更新的接口替代模拟耳机插孔的主要方式

图1：替换模拟耳机插孔的方式。

使用USB-C的模拟音频
新的USB Type-C连接器支持用于新增功能的非USB数据协议，包括视频(例如DisplayPort，HDMI)、模拟音频和高速串行(例如Thunderbolt，PCIe)协议。可以为这种附加功能分配一个引脚子集，在使用配置通道(CC1 / CC2)线连接时在主机和设备之间进行协商，如图2中的连接器引脚分配所示。该协商支持两种不同的模式——Alternate Mode和Audio Adapter Accessory Mode。

当使用USB 3.1 SuperSpeed线路时，Alternate Mode支持DisplayPort、PCIe和其它通信协议。
Audio Adapter Accessory Mode支持通过USB Type-C连接器路由模拟音频。在此模式下，USB主机(例如智能手机)通过D + / D-线驱动立体声模拟音频信号。对于需要麦克风功能的应用，使用边带信号(SBU1 / SBU2)支持来自外部的麦克风信号。

Audio Adapter Accessory Mode为制造商提供了一种便利的方式来构建非常便宜的USB-C至3.5 mm模拟耳机插孔适配器，从而允许消费者继续使用大量的模拟音频配件。尽管这将减缓从传统模拟耳机插孔向数字接口的过渡，但随着数字配件的发展，其在市场上的重要性和使用率将随着时间的推移而降低。

图2：USB-C插座引脚分配。

使用USB的数字音频
USB提供足够的带宽来支持高质量的数字音频。对于大多数需要立体声音频的消费性应用而言，USB 2.0 full-speed(12 Mbps)就足够了。除了一些需要极高采样率和/或多声道音频的专业应用之外，通常不需要USB 2.0 high-speed(480Mbps)或USB 3.0 SuperSpeed(5+Gbps)。USB开发者论坛(USB-IF)还开发了Audio Device Class，其定义了通过USB传输音频的标准机制，以确保USB音频设备的互操作性。

USB耳机音频设备不是市场上新出现的，近些年来由于同PC上的音频和视频会议应用程序一起使用而变得很普遍。然而，随着畅销的消费性设备(如智能手机和平板电脑)上的模拟耳机插孔的取消，这些产品的需求预计将成倍增加。
如前所述，使用支持数字音频的USB有一些优点，包括更高的音频质量和高级功能。

然而，与大多数变化一样，通过USB支持数字音频也带来了一些挑战。耳机和配件制造商面临着一项重要的设计工作，即通过USB实现稳定的流式音频。例如，通过USB传输音频要求从主机到设备的数据同步。虽然USB规范定义了强大的同步方案，但实施仍然是有设计挑战性的，即使对于最有经验的音频开发团队也是如此。此外，USB本身是一个复杂的协议，需要充足的开发时间和成本才能正确实施并进行认证。除了最初的产品部署之外，随着主要的PC操作系统的更新，需要持续的固件和驱动程序的支持和维护。

USB音频桥接控制器通过集成所有必需的硬件和软件模块简化了USB音频配件的开发，从而无需复杂的USB和音频开发。例如，Silicon Labs的CP2615 USB数字音频桥接器简化了将音频数据从USB转换到I2S的过程，而无需任何代码开发。

设计音频配件时的另一个关键考量因素是DAC或CODEC的设置和配置。市场上存在各种各样的CODEC和DAC，每个都需要自定义配置以实现最佳性能。这给希望其产品支持多种CODEC的开发人员带来了更高的复杂性和更重的软件负担。如图3所示，USB音频桥接控制器通常提供内部存储器资源来存储CODEC配置，并支持一系列CODEC和DAC的预编程配置值。

图3：典型的USB音频桥接控制器示例系统。

使用Lightning技术的数字音频
去年秋天，苹果公司在iPhone 7和iPhone 7 Plus上移除了模拟耳机插孔，成为全球的头条新闻。在介绍这些智能手机产品的主题演讲中，该公司提到了取消插孔的三个主要原因：
Lightning端口可以处理相同的功能。
去除插孔可以释放手机内部的空间。
苹果的远期目标是无线音频。

关于Lightning端口，苹果提醒受众，从一开始Lightning的设计目的就是为数字音频提供极大支持。事实上，Lightning能实现模拟耳机插孔根本无法实现的功能。例如，Lightning能够为音频配件提供电源。这允许耳机制造商去包含诸如ANC等高级功能，同时不需要耳机具有独立电池。此外，构建基于Lightning的音频产品的制造商可以开发一个配套应用程序，以直观易用的方式向用户展示高级功能。

然而，这些新功能对iPhone音频配件的设计人员来说，增加了一些额外的复杂性。为了帮助设计人员跳过普通功能开发并专注于增值产品的差异化，可以用数字音频桥接芯片和评估套件简化iOS设备配件的开发。例如，Silicon Labs的CP2614接口芯片为广泛的使用全数字Lightning 接口的iPod / iPhone / iPad(MFi)设备制造提供了交钥匙音频桥接解决方案。目标应用包括众多音频配件，诸如吉他和麦克风录音加密狗以及音频基座。桥接芯片还提供iOS应用程序和配件硬件之间的通信功能，支持使用配套iOS应用程序来操作的大量IoT配件。

数字音频桥接芯片和评估套件为iOS配件开发人员提供了一个经济高效的综合开发平台，可通过具有固定功能的MFi支持实现快速上市。诸如CP2614解决方案等众多桥接芯片不需要固件开发，这可以帮助开发人员快速启动和运行其MFi配件设计。开发人员可以通过易用的基于GUI的配置工具来简单地选择他们的自定义选项。

CP2614桥接芯片旨在管理和最小化功耗，在工作模式和空闲模式下实现超低功耗。CP2614 芯片友好的功耗使其适用于主机供电的配件。CP2614还集成了一个5 V低压差(LDO)调节器，其可以为自供电配件减少物料清单(BOM)成本和占板面积。高度集成的桥接器件无需外部晶振或存储配置的EEPROM。无晶圆结构和集成的EEPROM进一步降低了BOM成本以及PCB空间，从而使开发人员能够设计出更小、更精简且成本更低的配件。

CP2614音频桥接芯片支持24位单向和16位双向数字音频流，使开发人员能够创建高品质、高性能的专业级音频配件。可以使用iOS应用程序建立通信通道，使应用程序能够通过通用输入/输出(GPIO)读/写，直接与配件硬件进行交互，并访问UART以自定义数据流。GPIO可以配置为按钮输入和LED输出，并从iOS应用程序远程访问或用于控制音频播放。

结论
随着制造商逐步淘汰模拟耳机插孔，数字音频接口变得越来越普及。虽然使用USB或Lightning接口有很多优点，但是这些接口为数字音频配件的设计人员带来了复杂性。通过USB或Lightning获取音频是一项复杂而耗时的设计任务，诸如音频数据流的同步和CODEC / DAC配置等主要设计问题，甚至可能会给专家级的嵌入式和音频设计人员带来挑战。具有固定功能的交钥匙数字音频桥接器通过提供不需要软件开发的、即插即用的解决方案可以最大限度地减少这种复杂性。这些桥接器件为简化USB音频设计提供了一种简单而经济的方法。凭借高集成度和可配置性，它们消除了对深奥协议知识和固件开发的需求，使设计人员能够将其时间和资源集中在应用的创新和差异化上。